自适应抗干扰天线在飞行器导航系统中的应用研究

1 引言

大多数卫星导航系统是一个广播系统，没有自我校正功能，用户得到的定位信息的真伪无法通过本系统判别，使得对导航信号的干扰变得相对容易。尽管导航系统均采用扩频技术，有很高的处理增益，极具隐蔽性。GPS信号电平通常比噪声电平低20dB左右，很难检测到。同时，正因为到达用户接收机的信号强度极低，因此通用GPS接收机非常容易被干扰。

自适应天线系统结合数字信号处理技术和天线与微波技术，将天线方向图的零点指向干扰信号，减轻干扰信号对卫星导航系统的影响。它可以提高导航系统不低于30dB的抗干扰能力，并且能同时对抗多个方向的干扰。

高速飞行器速度极高，飞行器上的天线系统必须满足防热、气动、共形、结构强度以及恶劣的环境条件等特殊要求。自适应天线系统天线必须与载体共形安装，天线阵列的排布受到限制，非规则的天线布局对自适应天线系统的性能会产生较大影响。

2 自适应天线系统简介

自适应天线系统主要由天线阵、自适应处理器以及射频电缆网构成。其中，天线阵由多个天线单元构成，通常为四个天线，一个为主天线，接收有用信号，其余为辅助天线，产生对消干扰的参考信号。自适应天线系统与接收机不需要通信，通过射频电缆连接。天线系统组成如图1。

图1 自适应天线系统组成图

自适应天线系统根据天线阵列的输出情况自动调节副通道（副天线对应的射频通路）的权系数（幅度和相位），使天线系统能根据电磁环境、卫星导航信号及干扰信号的方向变化自动跟踪所需的信号，自动抑制信号，以提高天线接收信号的质量，从而具有自适应性。自适应处理器是整个系统的核心，在自适应处理器中，对信号进行数字化自适应处理，利用功率倒置算法完成对干扰信号的消除。

3 自适应天线系统研制概况

3.1 天线阵列研制

根据飞行器的飞行姿态以及干扰的来向，确定天线的布局。图2为卫星导航和干扰来自于载体下方的天线阵列排布示意图。

图2 天线布局示意图

朝天的天线由一个单元构成，用于接收卫星信号。朝地的天线由三个单元构成，用于对消干扰信号。对阵列进行了仿真，仿真模型如图3，当选择适当的权值时，阵列仿真结果如图4。

图3 飞行器天线系统仿真模型

图4 形成零点方向图

从图中可以看出，采用四元自适应阵列，主天线朝天，三元对消阵列朝地，只要自适应处理机选择合适的权值，就可以有效的在干扰方向形成增益零点，实现对消地面干扰的需要；对接收卫星信号的上半球没有影响。

单元天线采用微带形式，带有防护透波罩，共形安装，可以满足飞行器对气动、防热的要求。图5所示为天线的样机产品。

图5 自适应天线阵列图片

3.2 自适应处理器研制

自适应处理器由前置放大模块、接收机模块、权值调整模块和信号处理模块组成，如图6所示。

图6 自适应处理器组成框图

前置放大模块为低噪声放大器，放大后的信号分为两路，一路送往接收机模块进行解调，解调后送往信号处理板进行处理。另一路信号送往权值调整模块，在权值调整模块内根据信号处理板送来的权值调整信号进行调整。对干扰信号而言，形成幅度相同，相位相反的信号的叠加，从而消除干扰信号。处理后的信号可以直接供接收机使用。工程化设计的自适应处理器样机如图7。该机可以兼容GPS、GOLASS和北斗导航系统，外形尺寸为142mm×100mm×74mm，重量为1.0kg。

图7 自适应处理器工程样机

4 自适应天线系统验证试验

4.1 对消比测试

样机经过高温试验，低温试验以及力学环境试验，性能符合飞行器环境要求。抗干扰性能达到了30dB以上，测试结果见图8。

（a）窄带干扰对消结果

(b)宽带干扰对消结果

图8 自适应处理器测结果

4.2 抗干扰方向图测试

天线系统安装在飞行器模拟壳体上，测试方抗干扰向图，如图9所示。分别对自适应系统工作与不工作两种状态进行对比，结果如图10。图中90°方向为干扰来向。黑色为自适应不工作时的测试结果，红色为自适应工作状态的测试结果，通过对比可以看出对消比在35dB以上。 干扰方向连续变化时（等效于高速飞行）动态测试结果如图11，黑色为自适应不工作时结果，红色为自适应工作时结果。

图9 方向图的测试

图10 抗干扰方向图测试结果

图11 干扰方向连续变化时动态测试结果

4.3 抗干扰收星试验

自适应天线系统安装在飞行器模拟壳体上，进行抗干扰收星试验，如图12所示。四周布3个干扰